주석(원소)
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월왕구천검(越王句踐劍)
청동은 구리와 주석의 합금으로 청동기 시대의 청동검에 평균 28%정도 함유되어 있다.
1. 개요
탄소족 원소의 하나. 은백색의 고체 금속으로, 연성#s-2과 전성#s-1이 크며 녹슬지 않는다.[2] 모든 원소 중 동위원소가 가장 많으며 동소체로는 α형(회색주석, 다이아몬드형구조)과 β형(백색주석, 정방결정계구조)이 있다.
인체에 무해하며 융점이 231도에 불과하여 조형성이 뛰어나 미니어쳐의 재료로서 많이 이용된다.[3] 거기다 산화에도 강하기에 금상첨화. 다만 순수한 주석만으로는 무른감이 있으며, 금속임에도 단지 손에서 떨어트리는 정도로도 쉽게 뭉개진다. 조심하자. 또한 금속치고 가격이 높은 편이다. 그래서 화이트 메탈이라 하여 납이나 기타 금속등의 합금을 만들어 이용한다. 참고로 주석과 구리의 합금을 청동이라 한다.
주석은 부드러운 은백색의 금속으로, 아주 오랜 옛날인 기원전 3000년 이전부터 이용된 금속원소 중 하나이다. 주석이 없이는 청동기 시대도 없었을 정도로 인류 역사에서 빼놓을 수 없는 금속이다. 청동기 시대의 극초창기에 출토된 청동기 유물은 주석이나 비소 함량이 2% 내외여서 사실상 그냥 구리나 다름이 없었지만, 이후에 출토된 유물은 주석 첨가량이 점차 증가하는 추세를 보이면서 본격적으로 청동이라 불릴만한 재료로 탈바꿈한다.[4]
주석 함량이 12%인 청동은 인장 강도와 강성 등의 기계적인 특성이 구리에 비해 우월하면서도 주조가 쉬웠기에 무기나 장신구와 같은 복잡한 형태의 물건을 만드는 데 적합했고, 폭넓게 보급되어 청동기시대라는 문명을 불러올 정도로 인류에게 빼놓을 수 없는 것이었다. 고대 유럽-지중해[5]와 중동-아시아간 교역로[6] 역시 주석 산지와 청동 산지를 이으면서 시작되었을 정도로 중요한 자원으로 취급되었다. 특히 청동기 시대에는 구리는 비교적 널리 분포해 쉽게 구할 수 있는 편이었지만 주석은 산지가 한정되어 있어 국제적으로 거래되는 귀중한 자원이었다. 예를 들어 지중해의 중요 동광은 키프로스나 시실리아 등이어서 중동지방 주변에서 많이 거래되었지만 주석은 멀고먼 중앙아시아에서 산 넘고 물 건너 수입해야 하는 중요한 국제적인 교역 품목이었으며, 한반도 역시 주석이 거의 산출되지 않기 때문에, 한국의 청동기 시대는 구리는 국내 광산에서 채광하더라도 주석은 외부에서 수입할 수밖에 없는 상황이었다. 한반도 주변에서는 중국 북쪽 내몽골 지역과 양쯔강 이남 지역에 주석 광산이 발달해 있어 고대 한국사 국가들은 이런 곳에서 주석을 수입해 청동을 만들어 사용했을 것으로 추정되고 있다.
즉 주석은 말하자면 청동기시대의 석유. 중동의 청동기 시대의 붕괴의 이유를 이 주석의 국제교역 네트웍의 붕괴로 보는 주장도 있다. 주석이 이렇게 귀하고 비싸니 주석을 섞어만든 청동기도 당연히 귀중품일 수 밖에 없다. 그래서 청동기시대에도 청동은 일상용품이나 무기 농기구로 널리 쓰이지 못하고 주로 장신구나 제사용 제기나 방울 거울 장식용 검 등 귀중품으로 주로 쓰였다. 비파형 동검이 나오기는 하지만 너무 잘 깨져 실제 전투에 사용하기에는 어렵다. 금속제 무기나 농기구는 철기시대가 되어서야 보편화 된다.
다만 그 주석을 조달할 수 없는 지역에서는 주석없이 구리만 가지고 문명을 일으킨 케이스도 큰 비중을 차지하는데, 고대 이집트, 메소포타미아 문명권에서는 주석을 쓰지 않고 순수 동으로만 금속기를 만드는 동기 시대라는 시기가 1000~1500년 이상으로 꽤 길게 나타나는 케이스로 존재했다. 이집트는 제2중간기 (기원전 18~16세기/제13~17왕조) 시대에 힉소스인들이 청동기 병기와 전차를 끌고 침공해올 때까지 주석을 대규모로 구할 길이 없어 순동으로 제작한 도구들이 더 널리 쓰였으며, 메소포타미아에서도 고대 영국 지역까지 이어지는 주석 교역로가 개척될 때까지 천년 넘게 순동으로만 도구를 만들고 있었다. 심지어 짐바브웨처럼 구리도 주석도 없어서 그냥 철기시대로 건너뛰어버린 문명도 심심치않게 발견되는 지경이다,
중세 시대에는 청동의 수요는 상대적으로 줄어들었지만 백랍(Pewter) 식기를 반드는 데 꼭 필요한 재료였으므로 여전히 중요하게 취급되었다.[7] 퓨터는 주석과 납의 합금으로 주석의 함량은 80~90% 정도이며, 납, 안티모니, 구리, 비스무트와 합금한다. 비교적 낮은 온도에서 잘 녹아 가공하기 쉬우므로 정교한 장식품이나 술잔, 주전자 등 다양한 용도로 쓰였다.
주방도구로 동을 사용할 경우에는 반드시 음식과 닿는 부분을 주석으로 코팅해서 사용했다. 구리는 녹이 슬면 녹청이라는 청록색 녹이 생기는데 인체에 유해한 독으로 동제 식기를 사용하면 위험한 구리중독을 유발할 수 있다. 잘 녹슬지 않는 주석은 산, 염기에 반응하지 않기 때문에 안정적이고 인체에 무해하며, 동이 토마토, 식초같은 산성 음식과 반응해 녹이 스는것을 막아주었고, 동의 뛰어난 전열성은 그대로 사용할 수 있게 되었기 때문이다. 현대의 동냄비나 주전자 같은 동제 식기들은 다른 소재의 코팅을 사용하기도 하지만[8] 전통적으로는 주석을 사용했다. 주석은 녹는점도 낮기 때문에 그냥 불위에다 동제 주방도구를 올려놓고 어느정도 뜨거워지면 땜장이가 손에 장갑을 끼고 주석 덩어리를 쥔 다음 동기 위를 문질러 주석을 녹이고, 그 위를 양모나 솜으로 문질러 코팅을 고르게 하는 방식으로 코팅을 했다. 일반 주방용 가스렌지로도 순식간에 주석이 녹기 때문에 이런게 가능하며 기술만 있으면 집에서도 할 수 있다. 물론 주석 코팅이 된 동기에 아무것도 올려놓지 않고 프라이팬 달군답시고 있으면 코팅된 주석이 그대로 녹아버리기 때문에 주의해야한다.
그 밖에도 주석은 여러 종류의 금속들과 합금을 만들거나 도금 등 금속의 보강에 이용된다. 예를 들어 서양의 철[9]이라는 뜻의 양철은 철에 주석을 도금한 금속재료로 통조림이나 미니카나 얇은 금속판으로 만든 모형 장난감이나 식수병등에 쓰인다. 지금은 가격이 싸고 부식에 강한 용융아연도금철판 (galvalized steel)으로 대체된 경우가 많다. 아연도강판은 함석판이라고 부른다.
과거에는 주석을 도금한 양철지붕 (tin roof) 등 건축재료에 쓰였지만 현대에는 전부 아연도강판이나 알루미늄 금속판으로 대체되었다. 하지만 여전히 습관적으로 아연도 금속지붕을 양철지붕으로 부르는 경우가 많다. 테네시 윌리엄스작의 뜨거운 양철지붕 위의 고양이나 양철북 (tin drum) 같은 고전영화도 있다.
철판에 주석을 도금한 양철은 금속 통조림을 만드는데 쓰인다. 통조림통이 녹스는 걸 방지하기위해 철판에 주석도금을 한 양철판을 쓰기 때문에 통조림을 영어로 tin can 이라고 부른다. 주석으로 만든 통은 아니다. 주석을 도금하는 이유는 비교적 녹는 온도가 낮아 녹은 주석에 철판은 담가서 쉽게 도금할 수 있고 인체에 무해해서 식품용기로 적합하기 때문이다. 아연도금이 더 값싸지만 유해하므로 식품용기로는 적합하지 않다. 과거에는 통조림 뚜껑을 밀봉하는 데 납과 주석의 합금으로 납땜을 했지만 현재는 납의 유해성 때문에 사용하지 않는다.
현대에서 주석의 가장 중요한 산업적 용도는 납땜이다. 땜납은 납과 주석을 주성분으로 한 합금으로, 납도 녹는 온도가 낮고 주석도 녹는 온도가 더 낮지만 주석과 납의 6:4 합금은 두 금속보다 더욱 녹는 온도가 낮은 섭씨 180-190 도 정도에서 녹아 금속끼리의 접합이나 전자회로에서 각 소자를 기판에 고정하는 데 사용된다. 투탕카멘 왕의 묘에서 납땜된 장식품 등이 출토되는 등, 주석은 역사가 오래된 금속이다. 현재는 납의 유해성 때문에 납 대신 아연이나 비스뮤트 인티모니 은 등으로 대체한 무연납땜이 대세가 되어 가고 있다.
또 볼트 너트나 나사 스크류나 못 등 각종 금속제 부품이나 공구, 금속제 생활용품 전기터미널이나 접점부 등 각종 금속제품의 부식을 방지하기 위해 주석도금을 하는데 많이 쓰인다.
또 인듐주석산화물(ITO)은 얇고 투명한 성질을 가져 LCD나 OLED 같은 평면 디스플레이 장치의 투명한 전극재료로 널리 쓰이고 있다.
주석은 반응성이 높아서 여러 광물에 산화물 형태로 포함되어있으나, 고대 시절부터 현대까지 주로 채굴되는 주석 광석은 석석(Cassiterite, SnO2)이다. 석석을 제외한 나머지 광물은 주석 함량이 너무 낮아서 경제성이 없기에 채굴되지 않는다.
주석은 금속이지만 탄소-규소-저마늄과 같은 족이기 때문에 고분자를 만들 수 있다. 주석을 주사슬로 하는 고분자를 폴리스테네인(Polystannane)이라고 하며, 주석이 금속으로서의 성질도 갖기 때문에 폴리스테네인 또한 전도성을 가진다. 다만 이 경우 공유결합으로 만들어진 고분자인 만큼, 전기 전도성이 일반적인 금속에 비할 정도는 아니고, 상용되는 유기반도체 물질과 비슷한 수준이다.
주석은 지각구성비로 보면 구리의 1/50 정도에 불과할 정도로 귀한 금속이고 경제성있는 주석 산지가 한정되어 있고 생산량도 많지않아 금같은 귀금속을 제외하고 많이 쓰이는 금속중에서 비싼 금속이다. 구리 가격의 3배 아연 가격의 10배에 가깝다. 가격이 비싸서 준귀금속 취급받는 니켈보다도 1.5배 정도로 비싸다. 그러니 주석도 준귀금속이라 할만하다. 중국 인도네시아 브라질 말레이지아 등이 주요 산지이다. 탐사와 채굴, 운송기술이 고대와는 비교할수 없을만큼 발달된 현대에도 주석이 이렇게 구하기 어렵고 비싸니 옛날 청동기시대에는 청동은 정말 비싼 귀중품이었던게 당연하다. 그래서 청동기는 일상적 도구나 무기로 널리 쓰이지 못하고 장식용으로 주로 쓰였다.
2. 주석페스트
주석의 2개의 동소체 중, 백색주석(β, white tin)은 약 13.2℃의 낮은 온도가 되면 회색주석(α, grey tin)으로 변하며, 불순물이 섞인 주석은 더 낮은 온도에서 회색주석으로 변한다. 이 때, 결정 구조가 Body-Centered Tetragonal (BCT)에서 실리콘과 같은 Diamond Cubic으로 동소변태가 일어나면서 부피가 27% 정도 늘어나는데, 이러한 급격한 부피 차이를 이기지 못하고 바스러지기 때문에 온도가 낮아지면 분해되는 것처럼 보인다.
1850년 러시아에서 대한파가 몰아칠 적에, 대참사가 러시아를 덮쳤다. 교회의 주석제 파이프오르간이 반점투성이가 되어 큰 소리와 함께 무너져 내린 것이다. 혹한의 러시아에서 주석이 온도를 견디지 못하고 구조가 바뀌어 바스러짐으로서 폭삭 내려앉은 것이다. 이 현상은 주석제품의 일부에서 차츰차츰 전체로 퍼져나갔기 때문에 전염병에 빗대어 '주석페스트'라 불렸다.
동소체 구조 변화라는 것을 알기 전까지는 악마의 장난이라고 생각되었고, 이로 인해 마녀사냥이 시행되는 경우가 종종 있었다고 한다. 니켈과 코발트의 유래를 생각하면 이상할 것도 없다. 동소체 구조 변화라는 것을 알게 된 뒤에는 이 '주석페스트'를 방지하기 위해 여러 연구가 진행되었고, 비스무트를 합금함으로서 주석페스트를 막을 수 있다는 것을 알아내었다. 그래서 현재 생산되는 주석제 도구는 보통 비스무트를 함유하고 있고, RoHS가 적용되는 전자제품에도 땜납 대신 주석-인듐-비스무트 무연납이 사용된다.
3. 기타
- 산업훈장 중 석탑훈장은 보통 사람들은 들으면 돌탑이라고 생각하겠지만 사실은 돌탑이 아니라 주석탑(錫塔)이다. 3등급인 동탑훈장보다 한등급 아래 맨 밑의 4등급 훈장이지만 금속 가격으로 보면 주석이 구리보다 3배 비싸니 주석으로선 억울할 일이다.
- 이름에 '석' 자가 들어가는 사람을 놀릴 때 다들 石이라고 생각하고 돌대가리라고 하는데,[10] 石자는 의미가 의미인지라 席이나 錫인 경우가 대부분이다.[11] 특히 윤씨이고 이름에 석이 들어가는 사람들의 일부는 파평 윤씨 가문 단위의 항렬자로 주석 석이다. 이름에 錫을 쓰는 것은 단순히 '주석'보다는 왕에게서 은총·재물·관직 등을 하사(下賜)받는다는 의미가 많이 작용한 듯. 왕조시대에는 그것이 가장 큰 영광이고 출세였기 때문이다.
- 말레이시아의 수도 쿠알라룸푸르 일대는 질 좋은 주석 산지로 유명하다. 애초에 주석을 캐러 온 중국인 노동자들의 캠프에서 시작되어 수도까지 올라간 케이스. 그러한 주석을 채굴하고 가공하는 기업 중 가장 큰 기업이 로열 슬랑오르로 창업자가 화교 출신이다. 한때 세계에서 가장 높은 건물이었던 페트로나스 트윈 타워도 실제로 주석으로 만든 건 아니지만 주석의 질감을 표현했다고 한다.
[1] 일본에서는 '錫'자가 상용한자가 아니기 때문에 가타카나로 '스즈'라 표기한다.[2] 하지만 주석은 저온에서 동소체 구조가 바뀌며 부스러지기 때문에 녹스는 것과 도긴개긴. 아래의 주석페스트 문단을 참조.[3] 정확하게는 강도 때문에 주석만 사용하지는 않으며 안티모니 등 다른 금속들과 섞어 쓰며 이를 화이트 메탈(White Metal)이라 부른다. 예전엔 납도 같이 섞었던 적이 있지만 80년대까지의 이야기로 현재는 사용하지 않는다. 그 유명한 Warhammer 40,000도 과거에는 주석 모형이 굉장히 많았다. 다만 게임용으로 한 가방 가득 들고 다녀야 했고, 계속 만지기 때문에 도색이 잘 벗겨지는 특성상 호불호가 갈렸다. 2010년 들어 거의 레진과 플라스틱으로 대체되었다.[4] Penhallurick, R.D. (1986), ''Tin in Antiquity: its Mining and Trade Throughout the Ancient World with Particular Reference to Cornwall'', London: The Institute of Metals, p.4, ISBN 0-904357-81-3[5] Pulak, C. (2001), "The cargo of the Uluburun ship and evidence for trade with the Aegean and beyond", in Bonfante, L.; Karageogrhis, V., Italy and Cyprus in Antiquity: 1500–450 BC, Nicosia: The Costakis and Leto Severis Foundation, pp. 12–61, ISBN 9963-8102-3-3[6] Muhly, J.D. (1979), "The evidence for sources of and trade in Bronze Age tin", in Franklin, A.D.; Olin, J.S.; Wertime, T.A., The Search for Ancient Tin, Washington, D.C.: A seminar organized by Theodore A. Wertime and held at the Smithsonian Institution and the National Bureau of Standards, Washington D.C. March 14–15, 1977, pp. 43–48[7] Gerrard, S. (2000), The Early British Tin Industry, Stroud: Tempus Publishing, ISBN 0-7524-1452-6[8] 주로 스테인리스 스틸을 입힌다. 시중에서 볼 수 있는 '통3중 구리 주방용품들은 겉면은 구리, 중간은 알루미늄, 내부는 스테인리스 스틸을 붙여서 생산된다.[9] 생철이라고도 하는데 서양철(西洋鐵)의 중국 발음인 시양철이 줄어서 생철이 되었다. 오즈의 마법사 번역판 중에는 양철나무꾼을 생철나무꾼으로 번역해둔 책도 꽤 있다. 고철을 재활용해서 나온 철광석도 생철로 부르기에 주석도금강판은 양철을 사용하는 쪽이 메이저다.[10] 요즘 아이들은 아는 것이 많고 짖궂어서 이런 것으로 놀리기도 한다. 하긴 '석' 자 중 인지도가 가장 높은것이 石자니 그럴만도 하다. 하지만 이름에 석이 들어간 아이들이 매우 많으니 큰 놀림거리는 되지 않는다. 다만, 미국이나 캐나다 등 영미권 국가로 가면 문제가 되는데, suck이 성적인 뉘앙스의 '핥다'라는 뜻이기 때문이다.[11] 席자가 압도적으로 많긴 하다. 하지만 여성의 경우에는 錫자가 훨씬 많다. 錫자는 석자 치고 남녀비율 차이가 근소한 편이다.